陸 瑋，駱祖江，杜菁菁，寧 迪

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 南京市 211100)

0 引言

在20世紀(jì)80年代初，吳江地區(qū)充分利用了緊鄰國(guó)際大都市上海的區(qū)位優(yōu)勢(shì)條件，深層地下水的開發(fā)利用程度加快，開采井和開采量迅速增加，地下水位持續(xù)下降，在該地區(qū)內(nèi)形成水位降深漏斗，由此引發(fā)了地面沉降，隨后吳江地區(qū)執(zhí)行了禁采令，雖保護(hù)了環(huán)境卻加劇了供水需求。而如今吳江地區(qū)的淺層地下水資源豐富，卻一直未有有效的開發(fā)和管理，造成了地下水資源的極大浪費(fèi)，且由于淺層地下水位埋深淺，不利于雨水入滲，同時(shí)在長(zhǎng)期強(qiáng)烈的太陽(yáng)光的照射下，淺層地下水容易蒸發(fā)，隨之，原存于地下水中的鹽分被帶到表層的土壤中，形成土壤鹽漬化等問題[1]。

因此，在吳江地區(qū)開采淺層地下水顯得尤其重要，開采后淺層地下水水位下降可以促進(jìn)水循環(huán)，從而改變水質(zhì)。本次工作填補(bǔ)了吳江地區(qū)未對(duì)淺層地下水可開采資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)的空白。

地下水可開采資源量常用的計(jì)算方法有水量均衡法[2]，解析法[3]和數(shù)值法等。水均衡法對(duì)于地下水資源、可開采資源量的時(shí)間、空間等方面的變化以及其對(duì)未來的預(yù)測(cè)等“動(dòng)態(tài)”信息不能夠及時(shí)且有效的體現(xiàn)出來[4]；解析法假設(shè)條件過多，不適用于復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的水量計(jì)算；而數(shù)值法在對(duì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜及存在地下水開采情況的地區(qū)，計(jì)算結(jié)果更加能刻畫實(shí)際情況[5]，因此根據(jù)區(qū)內(nèi)淺層地下水的水文地質(zhì)條件及地下水流場(chǎng)特征，本文采用數(shù)值法計(jì)算評(píng)價(jià)淺層地下水的可開采資源量，在概化出吳江地區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，建立淺層地下水系統(tǒng)三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型[6]。該模型可以對(duì)吳江地區(qū)淺層地下水的資源量作出比較合理的評(píng)價(jià)，且精度較高，為區(qū)內(nèi)淺層地下水的合理開發(fā)利用提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

吳江地區(qū)位于江蘇省的東南部，地處江浙兩省和上海市的交界處,處在太湖—錢塘的褶皺帶，是揚(yáng)子古陸的一部分，區(qū)內(nèi)原有構(gòu)造幾乎全部沉陷，均為第四系覆蓋。依據(jù)鉆探資料，下伏基巖主要有震旦系、侏羅系、白堊系、古近系及新近系等。

吳江地區(qū)沉積了較厚的第四紀(jì)松散層，一般的厚度為150～200m，最大的厚度為220.8m。由于受地形地貌和基底構(gòu)造的影響，具有東北厚西南薄的特點(diǎn)。下更新統(tǒng)(Q1)：巖性主要為灰黃、棕黃、褐黃色黏土、亞黏土，頂板埋深140～160m，厚30～60m。中更新統(tǒng)(Q2)：可分為上下兩段，下段巖性主要為灰、灰綠、青灰色亞黏土、亞砂土及灰色、灰黃色細(xì)砂、粗砂，頂板埋深80～120m，厚10～30m；上段巖性主要為灰灰黃、黃綠色亞黏土、亞砂土、粉砂，頂板埋深80～120m，厚10～30m。上更新統(tǒng)(Q3)：可劃分為下、中、上三段，下段巖性主要為灰、灰黃、青灰色亞黏土、亞砂土，頂板埋深40～50m，厚30～50m；中段巖性主要為棕黃和青灰色亞黏土，頂板埋深20～25m，厚30～40m；上段上層主要為灰、灰黃、灰綠色亞黏土、亞砂土，下層以粉砂、亞砂土為主，頂板埋深5～10m，厚15m。全新統(tǒng)(Q4)：巖性主要為灰、灰黑、灰綠色亞黏土、亞砂土、淤泥質(zhì)亞黏土，厚度為5～10m。

吳江地區(qū)的地下水主要類型為松散巖類孔隙水，根據(jù)吳江地區(qū)第四紀(jì)地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)特征，可將整個(gè)第四紀(jì)沉積層劃分為四個(gè)含水層(組)，分別是淺層地下水含水層(組)、第Ⅰ承壓含水層(組)、第Ⅱ承壓含水層(組)以及第Ⅲ承壓含水層(組)。根據(jù)吳江地區(qū)的水文地質(zhì)條件，淺層地下水含水層(組)可確定為潛水和微承壓水。而微承壓含水層為整個(gè)吳江地區(qū)儲(chǔ)存淺層地下水的最主要的含水層，該含水砂層多呈夾層狀或透鏡體狀分布，巖性以灰、灰黃色粉砂和粉砂夾薄層粉質(zhì)黏土、粉土為主，頂板埋深8～12m，底板埋深25～55m，含水層累計(jì)厚度5～30m，單井涌水量為50～300m3/d。該含水層主要接受潛水的垂向越流補(bǔ)給，其富水性與含水層的厚度、巖性、含水層的結(jié)構(gòu)等存在較密切的關(guān)系。吳江地區(qū)微承壓含水層的富水性分區(qū)圖見圖1。

圖1 吳江市微承壓含水層富水性分區(qū)Figure 1 Water yield property zoning of slightly confined aquifer in Wujiang City

吳江地區(qū)的地下水補(bǔ)給主要有大氣降水，農(nóng)田灌溉對(duì)潛水的補(bǔ)給以及地表水體的入滲、側(cè)向補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦，徑流較為緩慢，潛水水力坡度極小，河湖對(duì)潛水的側(cè)向補(bǔ)給作用往往局限于河湖附近地帶。區(qū)內(nèi)的微承壓水含水層，水平方向的滲透性強(qiáng)于潛水含水層，其徑流條件也明顯要比潛水好，但在天然條件下，水力坡度非常小，徑流也比較緩慢。潛水的排泄方式主要以下滲入微承壓含水層為主，在水網(wǎng)化密度很高的地區(qū)以向地表水體排泄為主，同時(shí)也有蒸發(fā)消耗和人工開采等；隨著區(qū)內(nèi)微承壓水井逐漸增多，人為開采已成微承壓水的主要排泄方式。

2 水文地質(zhì)概念模型

本次模擬計(jì)算將整個(gè)吳江地區(qū)的行政區(qū)域劃分成一個(gè)統(tǒng)一的水文地質(zhì)系統(tǒng)，總面積為1 176.6km2。側(cè)面上根據(jù)實(shí)測(cè)資料分別概化為水位邊界和流量邊界，垂向上根據(jù)江蘇省淺層地下水的行政規(guī)定，以埋深60m為界，從地表體下分布有潛水含水層和微承壓含水層及兩者之間的黏性土弱含水層，各含水層無論是平面上還是剖面上，巖性結(jié)構(gòu)相差較大，為非均質(zhì)各向異性。各含水層之間均存在水力聯(lián)系，地下水位動(dòng)態(tài)隨地下水系統(tǒng)頂部大氣降水及農(nóng)業(yè)灌溉入滲補(bǔ)給和地下水的蒸發(fā)發(fā)生季節(jié)性的變化，為三維非穩(wěn)定流。地下水系統(tǒng)的底部存在有較厚的黏性土層，為一隔水邊界。

3 三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上描述的吳江地區(qū)淺層地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)概念模型，選取主滲透方向與坐標(biāo)軸方向相一致，建立了下列與之相適應(yīng)的吳江地區(qū)淺層地下水系統(tǒng)三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型[7～8]：

(1)

H(x,y,z,t)=|t=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z∈Ω)

(2)

(3)

H(x,y,z,t)=z(x,y,z∈Γ3)

(4)

上述數(shù)學(xué)模型采用有限差分方法進(jìn)行求解，并采用了SIP法求解代數(shù)方程組。運(yùn)用FORTRAN90語言[9-10]，據(jù)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)要求，將整個(gè)計(jì)算過程編制成計(jì)算機(jī)程序，在PC機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的流程圖見圖2。

圖2 計(jì)算程序流程圖Figure 2 Computational procedure flow chart

4 模型的識(shí)別、驗(yàn)證

依據(jù)以上吳江地區(qū)的水文地質(zhì)條件，本次計(jì)算采用矩形剖分法，將模型計(jì)算域總的剖分成40 000個(gè)單元，在平面上將整個(gè)模型剖分成100×100的矩形形狀的等距離網(wǎng)格單元，根據(jù)剖面的巖性特征，將模型在垂向上剖分為4層，分別是潛水含水層、第1粘性土弱含水層、微承壓含水層及第2粘性土弱含水層。其中有效單元數(shù)為17 386個(gè)，無效的單元數(shù)為22 614個(gè)，詳見圖3。模型各含水層的水位均由實(shí)測(cè)值插分得到，各開采井的位數(shù)及開采量均由實(shí)測(cè)資料給出。為了說明具體情況，以計(jì)算區(qū)第38列剖面剖分圖及第48行剖面剖分圖，具體見圖4和圖5。研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)參數(shù)由實(shí)際抽水試驗(yàn)資料反演計(jì)算求得。

根據(jù)研究區(qū)淺層地下水的分布特征，對(duì)模型進(jìn)行分區(qū)，整個(gè)模型的參數(shù)分區(qū)共分為16個(gè)，以潛水含水層和微承壓含水層兩層為例，其參數(shù)分區(qū)圖如圖6～圖7所示，通過比較計(jì)算值與觀測(cè)值，不斷反演求參，最終得到各含水層不同分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)，見表1，地下水的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位精度擬合圖以0.50天及0.69天為例，如圖8～圖9所示，橫坐標(biāo)分別表示實(shí)測(cè)的水位值，縱坐標(biāo)分別表示為通過模擬計(jì)算出的計(jì)算水位。從圖中可以看出，水位的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值均分布在y=x的這條曲線附近，且不同時(shí)間下測(cè)定的變化幅度均小于0.5m，符合《專門水文地質(zhì)學(xué)》中關(guān)于數(shù)值法計(jì)算精度的要求，且變化趨勢(shì)一致?？梢院芎玫卣f明模型的精度較高，可用于研究區(qū)的模擬計(jì)算。

表1 各含水層不同分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)

圖3 計(jì)算區(qū)平面網(wǎng)格剖分圖Figure 3 Computational area plane mesh generation

圖4 計(jì)算區(qū)第38列剖面剖分Figure 4 Computational area column No.38 section subdivision

圖5 計(jì)算區(qū)第48行剖面剖分Figure 5 Computational area row No.48 section subdivision

圖6 潛水含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)Figure 6 Phreatic aquifer hydrogeological parameters zoning

圖7 微承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)Figure 7 Slightly confined aquifer hydrogeological parameters zoning

圖8 0.50d時(shí)計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位擬合Figure 8 Fitting of computed and measured water levels after 0.50 day pumping

圖9 0.69d時(shí)計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位擬合Figure 9 Fitting of computed and measured water levels after 0.69 day pumping

5 淺層地下水可開采資源量評(píng)價(jià)

本次淺層地下水可開采資源量的評(píng)價(jià)的目的層是微承壓含水層，計(jì)算考慮到未來周邊一些地區(qū)對(duì)淺層地下水會(huì)有開采，因此把四周均概化為了隔水邊界。本次評(píng)價(jià)計(jì)算的起始時(shí)刻為2016年6月底，以10年后淺層地下水水位不低于微承壓含水層頂板，且水位越來越穩(wěn)定為約束條件，通過以上校正、識(shí)別后的數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬計(jì)算，科學(xué)合理地評(píng)價(jià)出了吳江地區(qū)的淺層地下水的可開采資源量。

經(jīng)模擬計(jì)算可得：全區(qū)共開挖了427個(gè)井位，滿足居民日常生產(chǎn)生活的用水需求。且每年的淺層地下水可采資源量有1.204×107m3，根據(jù)《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》可知本次淺層地下水允許開采量屬于B級(jí)。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃開采的井位及可開采資源量的情況，及5年后和10年后各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低地下水水位，詳見表2。

表2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃開采井、可開采資源量及最低地下水水位一覽表

6 結(jié)論

1)采用數(shù)值法評(píng)價(jià)本次吳江地區(qū)淺層地下水可采資源量，克服了以往采用水均衡法，解析法等方法不能準(zhǔn)確刻畫復(fù)雜水文地質(zhì)條件的不足，提高了吳江地區(qū)淺層地下水可采資源量的精度。

2)通過對(duì)吳江地區(qū)淺層地下水允許開采量評(píng)價(jià)表明：吳江地區(qū)共可開挖427個(gè)供水井，年地下水可采資源量達(dá)1.204×107m3。為吳江地區(qū)合理規(guī)劃開采淺層地下水資源提供了科學(xué)依據(jù)。